楊 猛

（撫順哥倆好化學(xué)有限公司，遼寧 撫順 113217）

水凝膠是一類含有親水基團(tuán)能在水中溶脹而不溶解的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，是一種特殊的軟濕性材料。眼睛、皮膚、組織器官等大部分生物活體組織均由水凝膠組成，日常生活中的豆腐、果凍、隱形眼鏡，工業(yè)中鉆井的泥漿也都是水凝膠。水凝膠具有很高的吸水能力，能夠吸收自身幾十倍至幾千倍的水；同時(shí)具有很好的保水能力，即使在外界壓力下水分也不流失，因而廣泛的應(yīng)用于生理衛(wèi)生材料、園林保水材料、食品等領(lǐng)域，在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)（如溫度、pH值、電場(chǎng)、溶劑性質(zhì)、光強(qiáng)度、壓力、離子強(qiáng)度等）凝膠性質(zhì)隨之發(fā)生相應(yīng)變化的智能水凝膠由于其獨(dú)特的響應(yīng)性在藥物控制釋放、組織工程、活性酶的固定、生物傳感器、生物反應(yīng)器、人工智能材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。而水凝膠的制備方法是決定水凝膠性質(zhì)及應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

1 化學(xué)交聯(lián)制備水凝膠

化學(xué)交聯(lián)制備水凝膠是通過共價(jià)鍵形成的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以由自由基共聚合、輻射聚合、水溶性高分子的交聯(lián)、聚合物互傳網(wǎng)絡(luò)等方法實(shí)現(xiàn)。

1.1 自由基聚合

自由基聚合交聯(lián)是在交聯(lián)劑存在下，單體經(jīng)自由基均聚或共聚制備高分子水凝膠，是制備化學(xué)水凝膠最為普遍采用的一種方法。這種方法通常情況下單體為含有一個(gè)可發(fā)生聚合反應(yīng)雙鍵的水溶性小分子（如丙烯酸系列、丙烯酰胺系列、乙烯吡咯烷酮等），而交聯(lián)劑通常為含有至少兩個(gè)可進(jìn)行聚合雙鍵的分子（如N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、雙丙烯酸乙二醇酯等）。X.J.Zhou等人[1]將丙烯酸、丙烯酰胺共聚制得pH-溫度雙重敏感的水凝膠。此外，經(jīng)雙鍵修飾的一些功能性大分子或天然大分子也可經(jīng)自由基聚合制備水凝膠[2]。Y.Q.Yu等人[3]將聚琥珀酰亞胺經(jīng)雙鍵修飾后與丙烯酸、N-異丙基丙烯酰胺共聚制得可降解的水凝膠。

水溶液聚合和反相懸浮/乳液聚合是自由基聚合制備水凝膠的兩種最重要的實(shí)施方法。通?；瘜W(xué)交聯(lián)共聚所制備的樣品中會(huì)包含以下幾種情況：在同一條聚合物鏈上形成小環(huán)結(jié)構(gòu)；交聯(lián)劑未完全聚合使得聚合物鏈側(cè)基帶有不飽和的官能團(tuán)；不同聚合物鏈間形成完善的聚合物網(wǎng)絡(luò)。其中前兩種情況對(duì)于交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)沒有貢獻(xiàn)，屬于無效交聯(lián)。

1.2 輻射聚合

輻射聚合是單體或單體溶液在高能射線照射下，產(chǎn)生的初級(jí)活性自由基引發(fā)的聚合反應(yīng)。在光輻射下不含有雙鍵的水溶性聚合物也能交聯(lián)形成水凝膠：在輻射聚合物水溶液的過程中，通過C-H鍵的均裂，在聚合物鏈上可以形成自由基，不同聚合物鏈上的自由基相遇形成共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。常用的輻射源有60Co、137Ce、紫外照射和電子加速器等。輻射技術(shù)與化學(xué)引發(fā)劑引發(fā)的單體交聯(lián)聚合相比有反應(yīng)條件溫和、不需引發(fā)劑產(chǎn)物純凈、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。N.Liu等人[4]采用60Co射線引發(fā)含有雙鍵的N,N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺、N-亞甲基雙丙烯酰胺聚合制備了水凝膠。R.A.Wach等人[5]以Co射線引發(fā)不含雙鍵的羥丙基纖維素制備了水凝膠。

1.3 水溶性高分子的交聯(lián)

水溶性高分子與小分子或是兩種水溶性高分子之間通過基團(tuán)的反應(yīng)形成網(wǎng)絡(luò)制備水凝膠。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是由多種方法進(jìn)行起始分子鏈的制備，因而在單體和合成技術(shù)上有更多的選擇性，化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)空間得以拓寬；合成的線型大分子可溶可熔，有利于應(yīng)用多種手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征與物理化學(xué)性能評(píng)價(jià)，而它又是制備水凝膠的直接原料，所以可直接將線型高分子的性能評(píng)價(jià)結(jié)果用于預(yù)測(cè)和分析交聯(lián)后水凝膠的性能；高分子的交聯(lián)反應(yīng)可人為停留在任何階段，便于跟蹤研究整個(gè)凝膠化過程的結(jié)構(gòu)演化；交聯(lián)過程為逐步反應(yīng)過程，交聯(lián)反應(yīng)參數(shù)可控、可測(cè)，統(tǒng)計(jì)理論處理相對(duì)簡(jiǎn)化，有較充分的前期工作可供借鑒，為統(tǒng)計(jì)理論的發(fā)展提供了對(duì)象和契機(jī)，而統(tǒng)計(jì)理論研究又反過來為支化與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)與調(diào)節(jié)建立理論基礎(chǔ)，使水凝膠性能與結(jié)構(gòu)關(guān)系研究更為量化、更為精致。趙大成等人[6]研究了戊二醛交聯(lián)PVA制備水凝膠，研究了PVA濃度對(duì)內(nèi)環(huán)化的影響；X.Jin和L.Li等人[7,8]通過熱酯化交聯(lián)制得了聚乙烯醇-聚丙烯酸水凝膠納米纖維、β-環(huán)糊精與聚丙烯酸納米纖維凝膠膜。

1.4 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)

互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）是由兩種聚合物通過網(wǎng)絡(luò)互穿纏結(jié)而形成的一類獨(dú)特的聚合物共混物。互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠有兩種類型：一種稱為半互穿網(wǎng)絡(luò)（semi-IPN）水凝膠，其內(nèi)部一種組分是交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)，另一組分以線型聚合物鏈存在，每條線型聚合物鏈穿插在第一組分的聚合物網(wǎng)絡(luò)中。另一種類型是兩個(gè)組分形成各自的聚合物網(wǎng)絡(luò)互相穿插在一起稱為全互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）水凝膠?；ゴ┚酆衔锞W(wǎng)絡(luò)技術(shù)特有的優(yōu)點(diǎn)在于：互傳網(wǎng)絡(luò)特有的強(qiáng)迫互容作用能使兩種性能差異很大或具有不同功能的聚合物穩(wěn)定的結(jié)合到一起，從而實(shí)現(xiàn)不同組分之間的性能互補(bǔ)；同時(shí)IPN特殊的界面互穿、雙相連續(xù)等結(jié)構(gòu)形態(tài)特征使得它們?cè)谛阅芎凸δ苌袭a(chǎn)生特殊的協(xié)同作用。

近年來利用互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)制備智能水凝膠的報(bào)道很多，尤其在多重敏感性水凝膠的制備上尤為突出。丙烯酸-丙烯酰胺共聚物水凝膠在高溫溶脹后由于氨基與羧基彼此遠(yuǎn)離，降低溫度后不能形成有效的氫鍵作用因而凝膠不再收縮。而H.Katono等人[9]、H.Sasase等人[10]采用互穿網(wǎng)絡(luò)方法制得了溫度敏感的聚丙烯酸/聚丙烯酰胺互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠，在較低溫度時(shí)兩種基團(tuán)之間形成氫鍵，水凝膠處于收縮狀態(tài)，基團(tuán)之間的氫鍵作用隨著溫度的升高而被破壞，凝膠溶脹度增大；降低溫度時(shí)凝膠再次收縮呈現(xiàn)出可逆溶脹-消溶脹變化。J.Chen[11]、B.L.Guo[12]等人制備了聚N異丙基丙烯酰胺/羧甲基殼聚糖pH值、溫度敏感的互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠。

2 物理交聯(lián)制備水凝膠

未反應(yīng)的交聯(lián)劑的去除是化學(xué)交聯(lián)存在的一個(gè)很大的問題，交聯(lián)劑不僅會(huì)影響物質(zhì)的完整性，而且經(jīng)常是有毒的物質(zhì)，未反應(yīng)的化學(xué)交聯(lián)劑必須在凝膠應(yīng)用以前去除。而物理交聯(lián)制備水凝膠則可以避免這個(gè)問題，不使用交聯(lián)劑的物理水凝膠近年來備受關(guān)注。物理交聯(lián)是通過聚合物間的鏈纏繞、范德華力、靜電作用、氫鍵作用及疏水締合作用等非共價(jià)鍵形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 離子間相互作用

通過離子間相互作用制備水凝膠可以分為兩類：（1）聚電解質(zhì)與帶相反電荷的多價(jià)離子之間的靜電作用形成物理水凝膠；（2）帶相反電荷的兩種聚電解質(zhì)之間的靜電作用形成聚電解質(zhì)復(fù)合物水凝膠[13]。

藻酸鹽是一個(gè)典型的可以與離子相互作用交聯(lián)形成水凝膠的多聚糖。Q.Wang等人[14]制備了物理交聯(lián)的pH敏感丙烯酸接枝殼聚糖/綠坡縷石/藻酸鈉水凝膠珠粒?？梢酝ㄟ^pH值來控制該凝膠載藥的釋放速率，將藥物雙氯芬酸鈉（DS）裝載于此凝膠中浸入到不同pH溶液中：在類似胃的環(huán)境（pH值為2.1）24h藥物DS釋放量還不足5%；在pH值為6.8時(shí)，2h藥物DS釋放量為20%，7h藥物DS釋放量50%，24h藥物DS釋放量100%；而在pH值為7.4時(shí)，藥物DS在2h內(nèi)即完全釋放。

Y.B.Zhao等人[15]制備了N,N二甲基氨乙基甲基丙烯酸酯-丙烯酸-丙烯酰胺共聚物，由于羧基與叔胺基間的質(zhì)子轉(zhuǎn)換形成的正負(fù)離子間的靜電引力作用，該共聚物以凝膠形式存在，并且該凝膠表現(xiàn)出對(duì)電場(chǎng)、電解質(zhì)的響應(yīng)行為。

2.2 結(jié)晶交聯(lián)作用

高分子在溶液中呈無規(guī)線團(tuán)分布，隨著溫度的升高或降低，分子運(yùn)動(dòng)加劇，無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)遭到破壞而相互纏繞排列成有序結(jié)構(gòu)形成微晶，這些微晶在網(wǎng)絡(luò)中起到物理交聯(lián)點(diǎn)從而形成凝膠。聚乙烯醇是典型的經(jīng)反復(fù)冷凍-熔融后分子鏈有序排列形成微晶的分子，R.Ricciardi[16]反復(fù)凍融聚乙烯醇水溶液，C.M.Xiao反復(fù)凍融聚乙烯醇接枝的殼聚糖[17]、淀粉[18]均制得了物理交聯(lián)的水凝膠。自然界中存在的瓊脂糖、直鏈淀粉、支鏈淀粉、纖維素衍生物等多糖在水中高溫時(shí)以無規(guī)線團(tuán)形式存在呈現(xiàn)出溶液狀態(tài)，而當(dāng)溫度降低時(shí)部分分子鏈排列成有序的螺旋結(jié)構(gòu)形成微晶，體系呈現(xiàn)出凝膠狀[19]。

2.3 氫鍵交聯(lián)作用

高分子水溶液體系中分子內(nèi)、分子間的氫鍵作用同樣可以起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。K.Nam等人[20-22]制得甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿與甲基丙烯酸、甲基丙烯酸丁酯兩種共聚物，由于丁基的疏水誘導(dǎo)使羧基在其表面形成羧基-羧基、羧基-水間氫鍵形成物理交聯(lián)點(diǎn)，這兩種磷脂共聚物在水中可以自動(dòng)的形成凝膠。

H.Vihola等人[23]將聚乙烯基己內(nèi)酰胺/聚乙二醇接枝聚乙烯基己內(nèi)酰胺濃溶液滴入到水楊酸溶液中制得溫敏性的物理交聯(lián)水凝膠，其中水楊酸與酰胺形成的氫鍵作起到交聯(lián)點(diǎn)作用。將藥物裝載于凝膠中，藥物的濃度、溶液pH值、外界環(huán)境的溫度均影響著藥物釋放速率，因此，該凝膠適用于藥物緩釋應(yīng)用。

2.4 疏水締合作用

兩親性的接枝聚合物、嵌段共聚物能夠通過聚合物中的疏水部分在水中的締合作用形成凝膠。疏水改性的水性聚合物的疏水基團(tuán)會(huì)形成分子內(nèi)分子間的相互作用，在濃度比較高時(shí)分子間的締合作用會(huì)占優(yōu)，體系形成聚合物網(wǎng)絡(luò)即水凝膠。十二烷基修飾的聚丙烯酸[24]、（2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸鈉）-（月桂醇聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯）共聚物[25]、丙烯酸鈉-月桂醇聚氧乙烯醚甲基丙烯酸酯共聚物[26]在沒有外界作用力破壞時(shí)以聚合物網(wǎng)絡(luò)存在，在受到外界剪切力是以膠束形式存在，而當(dāng)聚合物濃度較高時(shí)則為凝膠網(wǎng)絡(luò)。

劉鳳岐課題組通過此作用制備了聚丙烯酰胺、丙烯酸-丙烯酰胺共聚物疏水締合水凝膠[24,27，28]，構(gòu)筑了疏水締合凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，研究了聚丙烯酰胺體系凝膠的強(qiáng)度、自愈合性能及丙烯酸-丙烯酰胺共聚物凝膠體系的溫度敏感行為。

聚乙二醇、聚乳酸三嵌段共聚物PEG-PLA-PEG、PLA-PEG-PLA水溶液溫度由室溫升高到人體溫時(shí)溶膠轉(zhuǎn)化為凝膠，而進(jìn)一步升溫又轉(zhuǎn)化為溶膠狀態(tài)。PEG/PLA鏈段的長(zhǎng)度、共聚物溶液的濃度均影響著溶膠向凝膠的轉(zhuǎn)變溫度[29]。

3 結(jié)語

綜上所述，水凝膠的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，可以通過多種方法來制備，但許多化學(xué)合成的水凝膠如聚丙烯酰胺凝膠、聚丙烯酸凝膠很難能生物降解而限制了其應(yīng)用。天然高分子化合物由于其來源經(jīng)濟(jì)、有良好的生物相容性和生物降解性能、極小的毒性，將成為制備水凝膠的發(fā)展方向。

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